Сравнительный анализ свойств покрытий на титане и его сплавах, полученных различными методами

Представляет интерес сравнить свойства покрытий, получаемых на титане различными методами: методом микродугового оксидирования, методом электрохимического оксидирования и методом ионно-плазменного осаждения на установке типа ННВ.

Исследовали титан марки ВТ1-0 и его сплавы ВТ5-1 и ВТ16. Для ионно-плазменного напыления оксидных покрытий использовали электродуговую установку ННВ-6,6И1, позволяющую наносить покрытия TiO₂ в реактивном вакууме 1-1 Па. Перед напылением поверхность материала основы очищали пучком ионов и затем бомбардировкой специальными ионами титана с формированием покрытия толщиной 5-10 мкм по однородности и диэлектрическим свойствам, близким к соответствующим для магнетронного метода.

Формирование оксидного слоя на титане и его сплавах методами МДО и ЭХО осуществляли, как было описано выше.

В результате проведенных исследований было установлено, что наиболее близкими по физико-химическим и механическим свойствам оказываются покрытия, полученные методом МДО и ЭХО. Оба метода дают покрытия достаточной толщины, порядка 10-15 мкм, с высоким электросопротивлением. Сопротивление покрытий растрескиванию при изгибной деформации оказывается более высоким для покрытий, полученных МДО. Для покрытий ЭХО критическая величина деформации составляет 0,5%, тогда как для покрытий МДО она несколько выше 1%. Это может быть связано с присутствием в покрытиях МДО некоторой доли аморфной фазы, обладающей способностью к пластической деформации.

Покрытия, образующиеся на титане при ионно-плазменном осаждении, имеют меньшую толщину (не более 1-2 мкм), поэтому они оказываются менее электрически прочными. Это отчетливо выявляется на кривых изменения во времени электродного потенциала. Как правило, в начальной части кривых выявляются скачки потенциала, связанные с присутствием микроскопических дефектов. Эти дефекты легко раскрываются при изгибной деформации образца, поэтому степень деформации ниже 0,5%.

Анализ совокупности данных исследований оксидированных МДО титановых сплавов позволяет сделать вывод о том, что данный метод вполне пригоден для создания диэлектрических покрытий, обладающих достаточной механической прочностью на имплантатах, применяемых в травматологии и ортопедии. В принципе, для получения таких покрытий пригодны различные слабо концентрированные электролиты, как кислотные, так и щелочные. Однако качество покрытия может зависеть от выбранного электролита. Наилучшими диэлектрическими свойствами обладают покрытия, сформированные в растворе, содержащем фосфорную кислоту. Время для его формирования при оптимальных режимах не превышает 2 мин. При этом формируется практически полностью кристаллический оксид TiO₂ в форме анатаза. Как следует из литературы, именно эта форма оксида титана обладает наилучшими диэлектрическими и биосовместимыми свойствами (Thull, 1990). Другие электролиты (растворы КОН и щавелевой кислоты) дают частично кристаллические покрытия, вероятно, с полупроводящими свойствами.

При формировании покрытий на титановых сплавах обнаружено, что концентрация элементов, входящих в состав сплава, в покрытии оказывается в несколько раз меньше, чем в самом сплаве, что можно считать положительным фактором, т.к. снижается вероятность выхода токсичных легирующих добавок из имплантата в ткани при использовании их в практической медицине.

Повышенное содержание фосфора при МДО в растворе фосфорной кислоты связано, по-видимому, с остатками электролита в объеме пор, образующихся при оксидировании и имеющих замкнутый характер. Удаление этих остатков - достаточно сложная задача. С другой стороны, радикал РO₄^3- входит в состав костной ткани (гидроксиапатит, трикальциофосфат), поэтому возможно, что его присутствие в покрытии не будет являться препятствием для интеграции имплантата с живым организмом. Ответить на этот вопрос могут специальные дополнительные исследования.

Сравнительный анализ свойств покрытий, получаемых методами ионно-плазменного напыления и электрохимического оксидирования, показывает, что методом МДО удается получать покрытия, имеющие оптимальное сочетание диэлектрических и прочностных свойств. ЭХО является альтернативой МДО, т.к. последний метод требует дорогостоящего оборудования, часто неприемлем при обработке имплантатов достаточно больших размеров и потребляет значительное количество электроэнергии.


А.В. Карпов, В.П. Шахов
Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики